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Cours et recherches des professeurs
I. Sciences mathématiques, physiques et naturelles
Physique et chimie

Chimie des processus biologiques

Marc Fontecave
p. 67-71

Notes de la rédaction

La série de cours et séminaires intitulée « Chimie biologique : tendances en enzymologie » initialement prévue a été annulée pour des raisons sanitaires dues à la Covid-19 et reportée l’année académique suivante (novembre-décembre 2020).

Texte intégral

Enseignement

Cours – Chimie biologique : tendances en enzymologie

1Le cours n’a pu être donné en raison de la crise sanitaire du printemps 2020.

Cours à l’extérieur – Chimie et énergie

Université Saint-Joseph, Beyrouth (Liban), en automne 2019

Cours 1 – Chimie et défis énergétiques du xxie siècle : une introduction

2Dans ce premier cours/séminaire ont été présentés, dans leur grande généralité et en guise d’introduction, les grands enjeux de la transition énergétique : la fin des énergies fossiles, l’augmentation des gaz à effet de serre et la nécessité de développer de nouvelles technologies de l’énergie et technologies de stockage des énergies renouvelables, au premier rang desquelles on trouve le soleil. On a discuté des différentes façons de transformer ces énergies, en général intermittentes et diluées, en énergie électrique (photovoltaïque), en énergie chimique (biocarburants, hydrogène), et de les stocker (batteries). On a montré en particulier comment la chimie contribue(ra) à cette révolution énergétique.

Cours 2 – Photosynthèse naturelle et photosynthèse artificielle

3Certains organismes vivants, dits « photosynthétiques », ont cette capacité remarquable d’utiliser l’énergie solaire pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone en molécules organiques à haute valeur énergétique (biomasse). Dans certaines conditions, l’eau peut être également réduite en hydrogène. Pour réaliser ce processus, dit « de photosynthèse », ces microorganismes ont élaboré des systèmes enzymatiques incroyablement sophistiqués et efficaces pour collecter les photons lumineux, traduire cette absorption de lumière en énergie chimique et catalyser les réactions de transfert d’électrons. Ce cours a tenté de faire comprendre la chimie complexe de cette photosynthèse et de montrer comment le chimiste peut s’en inspirer pour inventer des catalyseurs et des dispositifs technologiques originaux, dits de « photosynthèse artificielle », permettant de stocker l’énergie solaire en énergie chimique.

Cours 3 – Que faire du CO2 ? De la chimie !

4Pour limiter l’augmentation de la concentration du CO2 dans l’atmosphère, responsable du réchauffement climatique, une stratégie réside dans sa capture et sa séquestration. Dans ce cours, on a évoqué une autre perspective, celle de la valorisation du CO2, à travers sa conversion en toute une série de composés carbonés, polymères, carburants, produits chimiques et autres, nécessaires à l’industrie chimique. En effet, le monde dans lequel nous vivons est un monde de carbone, pas seulement pour l’énergie mais aussi pour la très grande majorité des matériaux de notre environnement. Celui de demain aura également besoin de quantités massives de carbone. Saura-t-on exploiter le CO2 dans cette direction ? Ce fut l’occasion de discuter des projets de recherche en œuvre au Collège de France, dans ce domaine.

Recherche

5Le laboratoire de Chimie des processus biologiques développe des recherches à l’interface de la chimie et la biologie. Plus spécifiquement, il étudie des systèmes enzymatiques complexes impliqués dans des voies métaboliques et biosynthétiques, comme la modification des ARN ou la biosynthèse de l’ubiquinone, dont il caractérise la structure et les mécanismes. Il s’intéresse également à certaines métalloenzymes du métabolisme bioénergétique comme les hydrogénases, qui catalysent la réduction de l’eau en hydrogène avec une remarquable efficacité et qui sont considérés comme des biocatalyseurs potentiels pour une utilisation dans des dispositifs électrochimiques de stockage d’énergie (bioélectrodes pour électrolyseurs et piles à combustibles). Enfin, les questions de la catalyse pour le stockage d’énergie sont traitées par des approches multiples en chimie de synthèse et en électrochimie, qui combinent chimie moléculaire bioinspirée et chimie du solide. De nouveaux catalyseurs sont mis au point aussi bien pour l’oxydation de l’eau (catalyseurs pour l’anode des électrolyseurs), la réduction (catalyseurs pour la cathode des électrolyseurs) des protons en hydrogène et du dioxyde de carbone en composés organiques d’intérêt économique, notamment les hydrocarbures comme l’éthylène ou les alcools comme l’éthanol.

Catalyse et stockage d’énergie

6Toute une série de nouveaux complexes moléculaires originaux, le plus souvent bioinspirés dans le sens où leur structure rappelle celle de certains sites actifs d’enzymes, à base de métaux non nobles comme le nickel ou le molybdène, sans se désintéresser des complexes à base de rhenium ou de rhodium, ont été synthétisés et étudiés pour leurs propriétés catalytiques. Certains d’entre eux ont révélé des efficacités catalytiques intéressantes aussi bien pour la réduction de protons en H2 ou la réduction du CO2 en monoxyde de carbone CO ou en acide formique. Nous étudions également des catalyseurs moléculaires pour l’oxydation de l’eau. Leur réactivité est en général étudiée dans des conditions électrochimiques (l’énergie est d’origine électrique) mais dans certains cas aussi dans des conditions photochimiques (l’énergie est apportée par la lumière). Ces études expérimentales sont couplées à des approches théoriques permettant de décortiquer les mécanismes d’activation du CO2.

7Le développement technologique de ces systèmes moléculaires nécessite que ces derniers soient hétérogénéisés. C’est ce qui a été fait récemment à travers la mise au point par le laboratoire de stratégies originales de fixation de certains de ces complexes moléculaires sur des solides poreux (MOF, metal-organic frameworks) et des polymères de coordination.

8Les catalyseurs les plus efficaces et les plus stables pour ces réactions de transformation du CO2 sont néanmoins hétérogènes et le laboratoire est devenu un des experts mondiaux de cette recherche de nouveaux catalyseurs solides. De nouveaux catalyseurs, mono- ou polymétalliques, optimisés par modification des surfaces, efficaces et sélectifs pour la production de CO, d’éthylène, d’éthanol et pour l’oxydation de l’eau, ont été publiés au cours de la dernière année. Le résultat le plus remarquable a porté sur la mise au point d’un dispositif complet associant une cellule solaire et un électrolyseur qui transforme le CO2 et l’eau en éthylène avec un très bon rendement, en utilisant seulement de l’énergie solaire comme source d’énergie. Cette recherche passe en effet par la mise au point de dispositifs technologiques appropriés.

Hydrogénases

9Le laboratoire s’est engagé depuis quelques années dans un projet d’étude des hydrogénases à fer et de leur maturation. Ces enzymes sont d’excellents biocatalyseurs pour la production d’hydrogène. Leur structure complexe, la nécessité d’une étape de maturation pour la production d’une enzyme active et leur grande sensibilité à l’oxygène rendent leur utilisation dans des dispositifs technologiques cependant difficile. Nous étudions différentes stratégies pour résoudre ces questions : (i) une ingénierie rationnelle des hydrogénases par les outils de la biologie moléculaire et de la chimie de synthèse ; (ii) l’élaboration d’hydrogénases artificielles qui sont des systèmes hybrides associant une protéine hôte et un catalyseur de synthèse.

Enzymes de modification des ARN

10La structure d’enzymes en complexe avec des substrats macromoléculaires (protéines, ADN, ARN, etc.) et la compréhension de leurs mécanismes de reconnaissance et d’action constituent encore aujourd’hui de formidables défis de la chimie biologique. Nous nous intéressons plus particulièrement aux enzymes de modification des ARN de transfert qui jouent un rôle capital dans la traduction de l’information génétique. Plus particulièrement nous étudions deux classes d’enzymes : les enzymes fer-soufre et les flavoenzymes. Par exemple, nous avons caractérisé un mécanisme original de reconnaissance d’ARN de transfert par la dihydrouridine synthase.

Enzymes de la biosynthèse de l’ubiquinone

11L’ubiquinone est un cofacteur essentiel de la bioénergétique. Pourtant sa biosynthèse est encore mal connue en dépit du fait qu’elle constitue un véritable défi chimique en raison de la complexité de sa structure et de son insolubilité dans l’eau. Depuis plusieurs années nous nous intéressons au complexe multiprotéique et multienzymatique impliqué dans la biosynthèse de l’ubiquinone. Tout récemment, nous avons contribué à plusieurs avancées majeures dans ce domaine : (i) d’une part nous avons démontré que cette biosynthèse est réalisé au sein d’un complexe multiprotéique soluble complètement caractérisé (U1) ; (ii) nous avons découvert de nouveaux acteurs protéiques impliqués dans la biosynthèse anaérobie de l’ubiquinone (U2) ; (iii) nous avons découvert le système biosynthétique anaérobie de l’ubiquinone, qui soulève des questions inédites concernant les réactions d’hydroxylation biologiques en absence d’oxygène.

Publications

12Wakerley D., Lamaison S., Ozanam F., Menguy N., Mercier D., Marcus P., Fontecave M. et Mougel V., « Bio-inspired hydrophobicity promotes CO2 reduction on a Cu surface », Nature Materials, vol. 18, 2019, p. 1222-1227, https://doi.org/​10.1038/​s41563-019-0445-x.

Paille G., Gomez-Mingot M., Roch-Marchal C., Haouas M., Ben-Seghir Y., PINO T., Ha-Thi M.-H., Landrot G., Mialane P., Fontecave M., Dolbecq A. et Mellot-Draznieks C., « Thin films of fully noble metal-free POM@MOF for photocatalytic water oxidation », ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 11, no 51, 2019, p. 47837-47845, https://doi.org/​10.1021/​acsami.9b13121.

Deng Y., Faivre B., Back O., Lombard M., Pecqueur L. et Fontecave M., « Structural and functional characterization of 4-Hydroxyphenylacetate 3-Hydroxylase from Escherichia coli », ChemBioChem, vol. 21, no 1-2, 2020, p. 163-170, https://doi.org/​10.1002/​cbic.201900277.

Lamaison S., Wakerley D., Blanchard J., Montero D., Rousse G., Mercier D., Marcus P., Taverna D., Giaume D., Mougel V. et Fontecave M., « High-current-density CO2-to-CO electroreduction on Ag-alloyed Zn dendrites at elevated pressure », Joule, vol. 4, no 2, 2020, p. 395-406, https://doi.org/​10.1016/​j.joule.2019.11.014.

Karapinar D., Zitolo A., Huan T.N., Zanna S., Taverna D., Tizei L.H.G., Giaume D., Marcus P., Mougel V. et Fontecave M., « Carbon-nanotube-supported copper polyphthalocyanine for efficient and selective electrocatalytic CO2 reduction to CO », ChemSusChem, vol. 13, no 1, 2020, p. 173-179, https://doi.org/​10.1002/​cssc.201902859.

Deng Y., Odziomek M., Sanchez C., Back O., Mougel V. et Fontecave M., « A heterogeneous recyclable Rhodium-based catalyst for the reduction of pyridine dinucleotides and flavins », ChemCatChem, vol. 12, no 4, 2020, p. 1236-1243, https://doi.org/​10.1002/​cctc.201901726.

Todorova T.K., Schreiber M.W. et Fontecave M., « Mechanistic understanding of CO2 reduction reaction (CO2RR) toward multicarbon products by heterogeneous copper-based catalysts », ACS Catalysis, vol. 10, no 3, 2020, p. 1754-1768, https://doi.org/​10.1021/​acscatal.9b04746.

D’Accriscio F., Schrader E., Sassoye C., Selmane M., André R.F., Lamaison S., Wakerley D., Fontecave M., Mougel V., Corre G.L., Grützmacher H., Sanchez C. et Carenco S., « A single molecular stoichiometric P-Source for phase-selective synthesis of crystalline and amorphous iron phosphide nanocatalysts », ChemNanoMat, vol. 6, no 8, 2020, p. 1208-1219, https://doi.org/​10.1002/​cnma.202000198.

Mouchfiq A., Todorova T.K., Dey S., Fontecave M. et Mougel V., « A bioinspired molybdenum–copper molecular catalyst for CO2 electroreduction », Chemical Science, vol. 11, no 21, 2020, p. 5503-5510, https://doi.org/​10.1039/​D0SC01045F.

Benseghir Y., Lemarchand A., Duguet M., Mialane P., Gomez-Mingot M., Roch-Marchal C., Pino T., Ha-Thi M.-H., Haouas M., Fontecave M., Dolbecq A., Sassoye C. et Mellot-Draznieks C., « Co-immobilization of a Rh catalyst and a Keggin polyoxometalate in the UiO-67 Zr-based metal-organic framework: in depth structural characterization and photocatalytic properties for CO2 reduction », Journal of the American Chemical Society, vol. 142, no 20, 2020, p. 9428-9438, https://doi.org/​10.1021/​jacs.0c02425.

Vo C.-D.-T., Michaud J., Elsen S., Faivre B., Bouveret E., Barras F., Fontecave M., Pierrel F., Lombard M. et Pelosi L., « The O2-independent pathway of ubiquinone biosynthesis is essential for denitrification in Pseudomonas aeruginosa », Journal of Biological Chemistry, vol. 295, no 27, 2020, p. 9021-9032, https://doi.org/​10.1074/​jbc.RA120.013748.

Dey S., Todorova T.K., Fontecave M. et Mougel V., « Electroreduction of CO2 to formate with low overpotential using cobalt pyridine thiolate complexes », Angewandte Chemie, vol. 59, no 36, 2020, https://doi.org/​10.1002/​anie.202006269.

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Pour citer cet article

Référence papier

Marc Fontecave, « Chimie des processus biologiques »L’annuaire du Collège de France, 120 | 2023, 67-71.

Référence électronique

Marc Fontecave, « Chimie des processus biologiques »L’annuaire du Collège de France [En ligne], 120 | 2023, mis en ligne le 01 février 2023, consulté le 27 mai 2024. URL : http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/18149 ; DOI : https://doi.org/10.4000/annuaire-cdf.18149

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Auteur

Marc Fontecave

Membre de l’Institut (Académie des sciences), professeur au Collège de France

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Droits d’auteur

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